Le flux magnétique est la quantité de champ magnétique qui pénètre dans une zone perpendiculairement à celle-ci. Dans une situation simple où le champ passe à angle droit à travers une surface plane, cette quantité est la force du champ magnétique multipliée par la surface de la surface. Dans la plupart des situations réelles, cependant, d’autres facteurs doivent être pris en compte. Le flux magnétique est un concept important dans de nombreux domaines de la science, avec des applications liées aux moteurs électriques, aux générateurs et à l’étude du champ magnétique terrestre. Il est représenté en physique par la lettre grecque phi, .
La loi de Gauss
Un barreau magnétique a deux pôles, nommés nord et sud en raison de la façon dont ils réagissent au champ magnétique terrestre, qui est aligné à peu près nord-sud. C’est une convention scientifique que les lignes de force magnétique s’écoulent du nord au sud. Si une personne prend la surface rectangulaire bidimensionnelle à l’extrémité nord d’une barre aimantée, elle a un flux magnétique, tout comme la surface au pôle sud. L’aimant dans son ensemble, cependant, n’a pas de flux, car les extrémités nord et sud sont de force égale et le champ flue du pôle nord vers le pôle sud, formant une boucle fermée.
La loi de Gauss pour le magnétisme stipule que, pour une surface fermée, telle qu’une sphère, un cube ou un barreau aimanté, le flux magnétique est toujours nul. C’est une autre façon de dire qu’un objet, peu importe sa taille, avec un pôle nord doit toujours avoir un pôle sud de force égale et vice versa. Tout ce qui a un champ magnétique est un dipôle, ce qui signifie qu’il a deux pôles. Certains scientifiques ont émis l’hypothèse que des monopôles magnétiques pourraient exister, mais aucun n’a jamais été détecté. S’ils sont trouvés, la loi de Gauss devrait être modifiée.
Loi de Faraday
La loi de Faraday stipule qu’un changement de flux magnétique créera une tension, ou force électromotrice (FEM), dans une bobine de fil. Le simple déplacement d’un aimant près d’une bobine de fil permettra d’atteindre cet objectif, tout comme un changement dans la force du champ magnétique. La tension produite peut être déterminée à partir du taux de variation du flux magnétique et du nombre de tours dans la bobine.
C’est le principe des générateurs d’électricité, où le mouvement est créé, par exemple, par l’eau courante, le vent ou un moteur alimenté par des combustibles fossiles. Des aimants et des bobines de fil convertissent ce mouvement en énergie électrique, conformément à la loi de Faraday. Les moteurs électriques démontrent la même idée à l’envers : un courant électrique alternatif dans des bobines de fil interagit avec des aimants pour produire un mouvement.
Matériaux magnétiques
Les matériaux varient dans leurs réactions aux champs magnétiques. Les substances ferromagnétiques produisent elles-mêmes un champ magnétique plus fort, et ce champ peut persister lorsque le champ externe est supprimé, laissant un aimant permanent. Le fer est l’élément le plus connu de ce type, mais d’autres éléments métalliques, tels que le cobalt, le nickel, le gadolinium et le dysprosium, démontrent également cet effet. Des aimants très puissants peuvent être fabriqués à partir d’alliages de métaux des terres rares, le néodyme et le samarium.
Les matériaux paramagnétiques produisent un champ magnétique en réponse à un champ externe, produisant une attraction relativement faible qui n’est pas persistante. Le cuivre et l’aluminium en sont des exemples. Un autre exemple est l’oxygène ; dans ce cas, l’effet est mieux démontré avec l’élément sous forme liquide.
Les substances diamagnétiques créent un champ magnétique qui s’oppose à un champ extérieur, produisant une répulsion. Toutes les substances présentent cet effet, mais il est normalement très faible et toujours plus faible que le ferromagnétisme ou le paramagnétisme. Dans quelques cas, comme une forme de carbone appelée graphite pyrolytique, l’effet est suffisamment fort pour permettre à un petit morceau de matériau de ce type de flotter dans l’air juste au-dessus d’un arrangement d’aimants puissants.
Calcul et mesure du flux
Le calcul du flux pour une surface plane perpendiculairement à la direction d’un champ magnétique est simple. Souvent, cependant, il est nécessaire de calculer la quantité pour une bobine de fil, également appelée solénoïde. En supposant que le champ est perpendiculaire au fil, le flux total est la force du champ magnétique multipliée par la zone à travers laquelle il passe multipliée par le nombre de tours dans la bobine. Lorsque le champ n’est pas perpendiculaire à la surface, l’angle formé par les lignes de champ magnétique avec la perpendiculaire doit être pris en compte, et le produit est multiplié par le cosinus de cet angle.
Un instrument appelé fluxmètre est utilisé pour mesurer la quantité de champ. Il repose sur le fait qu’un champ magnétique créera un courant électrique dans un fil si les deux se déplacent l’un par rapport à l’autre. Ce courant peut être mesuré pour déterminer le flux.
Flux magnétique en géologie
La mesure du flux magnétique en divers points de la surface de la Terre permet aux scientifiques de surveiller le champ magnétique de la planète. Ce champ, que l’on pense généré par des courants électriques dans le noyau de fer de la Terre, n’est pas statique, mais se déplace dans le temps. Les pôles magnétiques se sont en fait inversés à plusieurs reprises dans le passé et le feront probablement à nouveau à l’avenir. Les effets d’une inversion des pôles peuvent être graves, car pendant le changement, la force du champ serait réduite sur une grande partie de la planète. Le champ magnétique terrestre protège la vie sur la planète du vent solaire, un flux de particules chargées électriquement du Soleil qui serait nocif.
Unités de mesure
La force d’un champ magnétique, ou la densité de flux magnétique, est mesurée en Teslas, une unité nommée d’après l’ingénieur électricien Nikola Tesla. Le flux est mesuré en Webers, du nom du physicien Wilhelm Eduard Weber. Un Weber est 1 Tesla multiplié par 1 mètre carré, et un Tesla est 1 Weber par mètre carré.